CC BY
3
_ВЕСТНИК ПНИПУ_
2023 Химическая технология и биотехнология № 4
Б01: 10.15593/2224-9400/2023.4.03 Научная статья
УДК 544.6.018.23
Л.С. Кузнецова, К.Д. Иванова, В.А. Арляпов
Научно-исследовательский центр «БиоХимТех», Тульский государственный университет, Россия
НАНОКОМПОЗИТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ НА ОСНОВЕ ПОЛИ(ТИОНИНА) ДЛЯ ИММОБИЛИЗАЦИИ ГЛЮКОЗООКСИДАЗЫ В БИОСЕНСОРАХ
В последние годы существенное внимание уделяется разработке новых материалов для использования в биосенсорах, особенно в области определения глюкозы. Глюкоза является одним из наиболее распространенных биоаналитов, и точность и надежность ее измерения имеет важное значение для диагностики и контроля заболеваний, связанных с нарушением обмена веществ. Акцент современных исследований в области разработки биосенсоров в настоящее время направлен на совершенствование методов модификации поверхности электродов и применения новых материалов для иммобилизации ферментов с проводящими свойствами. Наиболее ярко в данном аспекте себя зарекомендовали нанокомпозитные материалы. В данной работе элек-трополимеризованный тионин использовали как основу для формирования гибридных нанокомпозитных проводящих полимеров. Для улучшения проводящей способности поли (тионина) применяли его совместно с терморасширенным графитом и углеродными нанотрубками. Иммобилизация фермента на поверхности материала играет важную роль в обеспечении стабильности и высокой активности ферментов.
Структуру полученного полимера исследовали методом ИК-спектроскопии. Электрохимические характеристики изучали методами циклической вольтамперо-метрии. Показано, что с точки зрения как скорости переноса электронов на электрод, так и скорости взаимодействия с активным центром глюкозооксидазы наиболее перспективным является новый нанокомпозит на основе поли(тионина) и терморасширенного графита. Сенсорный датчик на основе созданного нанокомпо-зитного материала характеризуется чувствительностью 14,3±0,6 мкА-мМ^'-см-2, нижней границей определяемых концентраций глюкозы 0,06 мМ.
Таким образом, разработанный биосенсор можно использовать в качестве альтернативы стандартному методу анализа и как прототип для создания чувствительных и точных глюкометров и биосенсоров для оценки других метаболитов.
Ключевые слова: проводящий полимер, поли(тионин), печатный электрод, углеродные нанотрубки, терморасширенный графит, глюкозооксидаза.
L.S. Kuznetsova, K.D. Ivanova, V.A. Arlyapov
Biochemtech Research Center, Tula State University, Russian Federation
NANOCOMPOSITE MATERIALS BASED ON POLY(THIONINE) FOR IMMOBILIZATION OF GLUCOSE OXIDASE IN BIOSENSORS
In recent years, considerable attention has been paid to the development of new materials for use in biosensors, especially in the field of glucose determination. Glucose is one of the most common bioanalysts, and the accuracy and reliability of its measurement is important for the diagnosis and control of diseases associated with metabolic disorders. The focus of modern research in the field of biosensor development is currently aimed at improving the methods of modification of the electrode surface and the use of new materials for the immobilization of enzymes with conductive properties. Nanocomposite materials have proven themselves most clearly in this aspect. In this work, electropolymerized thionine was used as a basis for the formation of hybrid nanocomposite conductive polymers. To improve the conductive ability of poly(thionine), it was used together with thermally expanded graphite and carbon nanotubes. The immobilization of the enzyme on the surface of the material plays an important role in ensuring the stability and high activity of enzymes.
The structure of the resulting polymer was studied by IR spectroscopy. Electrochemical characteristics were studied by cyclic voltammetry. It is shown that from the point of view of both the electron transfer rate to the electrode and the rate of interaction with the active glucose oxidase center, a new nanocomposite based on poly(thionine) and thermally expanded graphite is the most promising. The sensor based on the created nanocomposite material is characterized by a sensitivity of 14.3 ± 0.6 ¡A • mM-1- cm-2, the lower limit of the determined glucose concentrations is 0.06 mM.
Thus, the developed biosensor can be used as an alternative to the standard method of analysis and as a prototype for the creation of sensitive and accurate glucose meters and biosensors for the evaluation of other metabolites.
Keywords: conductive polymer, poly(thionine), printed electrode, carbon nanotubes, thermally expanded graphite, glucose oxidase.
Современным и многообещающим методом модификации поверхности электродов является применение нанокомпозитов, включающих проводящие полимеры и наноматериалы [1]. Такие материалы могут использоваться в качестве матрицы для закрепления биологических материалов и одновременно обеспечивать электронную проводимость. Проводящие полимеры позволяют создавать на своей основе безреагентные биосенсоры, они устойчивы к биодеструкции и одновременно обладают биосовместимостью, просты в использовании и потому привлекательны для использования в конструкции биосенсора [2].
Следует отметить еще один важный фактор, который необходимо учитывать при разработке биосенсоров на основе проводящих полиме-
ров: зачастую из-за слабого прикрепления полимера к поверхности рабочих электродов (чаще всего на основе графита) существенно снижается эффективность электронного транспорта из-за кинетического лимитирования поверхностной передачи электронов на электрод [3]. Нанома-териалы могут увеличить площадь поверхности для формирования проводящего полимера и усилить его прикрепление к электроду. В области биосенсорного анализа применение углеродных нанотрубок (УНТ) и других наноматериалов позволяет добиться высокой скорости биоэлектрокаталитических процессов [4-6].
Одним из материалов, используемых для создания матриц в ме-диаторных биосенсорах, является поли(тионин). Поли(тионин) обладает рядом преимуществ, которые делают его привлекательным выбором для биосенсорных приложений, включая химическую и электрическую стабильность, биологическую совместимость, легкость модификации и высокую проводимость. Разработки по созданию биосенсоров для определения глюкозы на основе поли(тионина) менее изучены. Так, Гика и др. провели успешную электрохимическую полимеризацию поли(ти-онина) на углеродных пленочных электродах, модифицированных углеродными нанотрубками и сформировали биосенсор для определения глюкозы и мочевой кислоты [7]. Биосенсор для определения глюкозы позволял проводить измерения в линейном диапазоне 0,2-1,2 мМ. Кроме того, поли(тионин) успешно применяется в конструкции биосенсоров для определения других аналитов, таких как клинически значимые маркеры рака легких [8], НАДН [9], аскорбиновая кислота и мочевая кислота [10] и ацетаминофен [11].
Поиск оптимальных решений для формирования чувствительных, селективных и экономически выгодных биосенсорных датчиков глюкозы не останавливается. В данном исследовании было изучено, как углеродные материалы, такие как углеродные нанотрубки и терморасширенный графит, влияют на электрохимические характеристики и параметры ам-перометрического глюкозного биосенсора в композитных матрицах, содержащих электрохимически полимеризованный поли(тионин).
Материалы и методы. Реагенты и оборудование. В работе использовали фермент глюкозооксидазу (ГО) (81§та-АЫпсЬ, США) (удельная активность 100 Е/мл). В качестве основы проводящей матрицы использовали: тионин («Диаэм», Россия). Для проведения биосенсорных измерений использовали натрий-калий фосфатный буферный раствор с рН 6,8 (33 мМ КН2Р04 и 533 мМ Ка2НР04, «Диаэм», Россия).
Электрохимическая полимеризация тионина на поверхности рабочего электрода. Первоначально электрод подвергали предварительной электрохимической обработке путем циклического изменения приложенного потенциала от 0,0 до +1,0 В относительно электрода сравнения (Л§/Л§С1) в 0,1М растворе ККО3 в течение не менее 10 циклов до получения стабильных циклических вольтамперограмм. Тионин электрохимически полимеризовали путем циклического изменения приложенного потенциала от -1,0 до +1,0 В относительно электрода сравнения при скорости сканирования 50 мВ/с в течение 30 циклов в растворе, содержащем 0,025М КаВ4Оу (рН = 9,0), 1мМ тионина и 0,1 М КШз [7]. Структура получаемого проводящего полимера представлена на рис. 1.
Формирование рабочих электродов на основе поли(тионина) и композитных материалов. Электроды, модифицированные композитом на основе углеродных нанотрубок и поли(тионина): предварительно на рабочую поверхность графитовых печатных электродов были нанесены нанотрубки в виде 1 мкл суспензии одностенных углеродных нанотрубок (длиной 1-10 мкм, средним диаметром 1,5 нм и внешней удельной поверхностью 450 м /г, производства ООО «Углерод Чг», Россия), после чего электроды оставляли до полного высыхания.
Электроды модифицированы композитом на основе терморасширенного графита и поли(тионина): на рабочей поверхности графитовых печатных электродов был сформирован слой терморасширенного графита толщиной 0,1 мм и диаметром 3 мм при давлении 150 бар. Плотность полученного слоя терморасширенного графита составляла 16 г/л.
После нанесения углеродных материалов модифицированные рабочие поверхности графитовых печатных электродов были использованы для проведения электрохимической полимеризации тионина. После полимеризации электроды промывали натрий-калиевым фосфатным буферным раствором (рН = 6,8) и высушивали.
п
Рис. 1. Структура поли(тионина), полученного электрохимической полимеризацией [12]
На поверхность модифицированных электродов наносили 3 мкл фермента глюкозооксидазы и оставляли до полного высыхания. После этого наносили 3 мкл смеси, которая включала в себя 0,0035 г бычьего сывороточного альбумина, 50 мкл натрий-калиевого фосфатного буферного раствора с рН = 6,8 и 7,5 мкл глутарового альдегида, оставляли до полного высыхания. Перед измерениями двукратно промывали электроды в буферном растворе в течение 10 мин.
Электрохимические измерения. Для проведения электрохимических измерений использовали потенциостат ЕтБ1а1 (Ра1т8еш, Нидерланды). Измерения проводились на графитовых печатных электродах производства компании ООО «Русенс» (Россия), имеющих трехэлек-тродную схему. Установка для изменений включала в себя проводящую ячейку объемом 4 мл. В качестве электролита использовали калий-натрий-фосфатный буферный раствор с рН 6,8 при температуре 22 °С.
Циклические вольтамперограммы регистрировались при скорости развертки потенциала в диапазоне от 20 до 200 мВ/с. Измеряемым параметром (откликом биосенсора) в режиме амперометрии была амплитуда выходного сигнала биосенсора при добавлении субстрата. После каждого измерения электрод промывался трижды буферным раствором.
ИК-спектроскопия. Для получения ИК-спектров использовали инфракрасный фурье-спектрометр ФМС 1201 (ООО «Мониторинг», Россия). Спектры снимали в таблетке КВг (ООО «Диаэм», Россия) в области 4000-500 см-1 при отношении массы образца проводящей матрицы к массе бромида калия 2: 300 (мг).
Результаты и обсуждение. Для получения проводящих полимеров в качестве мономеров использовали тионин. Редокс-соединение образует устойчивый проводящий полимер при электрополимеризации [7] и характеризуются нетоксичностью и биосовместимостью для живых систем [12, 13]. В данном исследовании использовались одностенные углеродные нанотрубки (УНТ) и терморасширенный графит (ТРГ) для создания композитных материалов. УНТ были выбраны из-за их высокой проводимости [14], которая делает их одним из самых популярных типов углеродных наноматериалов. Модификация поверхности графитовых печатных электродов различными углеродными наноматериала-ми, такими как УНТ с разной функционализацией, значительно повышает чувствительность создаваемых датчиков [15]. ТРГ в свою очередь обладает большой поверхностью по сравнению с обычным графитом, что позволяет его использовать в биосенсорах для улучшения чувстви-
тельности и расширения рабочего диапазона. Преимуществами ТРГ перед другими углеродными наполнителями, такими как УНТ и наново-локна, являются его низкая стоимость и простота использования [16].
Структуру полученного при электрохимической полимеризации поли(тионина) изучали с помощью метода ИК-спектроскопии (рис. 2).
90
400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000 2200 2400 2600 2800 3000 3200 3400 3600 3800 4000
Волновое число, см 1
Рис. 2. ИК-спектр поли(тиоина)
В полученной матрице (поли)тионина пик 2924 см1 на ИК-спектре относятся к колебаниям растяжения С-Н ароматических кольцевых атомов водорода. Пик при 1643 см-1 связан с деформацией -КН в плоскости, что доказывает связывания атома азота первичной аминогруппы на кольцо фенотиазина. Широкая полоса при 3449 см-1, что согласуется с наличием аминогрупп из-за присутствия тионина и воды. Слабые полосы поглощения в области 1400-1300 см-1 относятся к связям С-№ Об изгибе в плоскости С-Н говорят слабые полосы поглощения в области 1000 см-1 [17]. ИК доказал, что полимеризация тионина прошла, образовался полимер на электроде, но некоторое количество тионина еще присутствует, возможно из-за его высокой адсорбции на графите. Также был получен спектр тионина, у него такие же пики, но ярче выражены, это может быть из-за того, что на электроде образовалось небольшое количества (поли)тионина, также у тионина нет пика при 1643.
Изучение электрохимических свойств нанокомпозитных материалов. Изучение электрохимических свойств графитовых электродов, модифицированных проводящим полимером и нанокомпозитами, является важным для понимания механизма генерации их сигнала и принципов их взаимодействия с биологическим материалом. Электро-
химические свойства полученных проводящих гелей исследовали методом циклической вольтамперометрии (ЦВА). Данный метод удобен для нахождения лимитирующих стадий электрохимических процессов, так как в случае медленного переноса электронов по проводящему на-нокомпозиту предельный анодный ток прямо пропорционален квадратному корню из скорости развертки. В случае если эта стадия осуществляется достаточно быстро и процесс лимитируется поверхностной реакцией на электроде, ток пропорционален скорости развертки [18]. Типичные виды изучаемых циклических зависимостей на примере поли(тионина) представлены на рис. 3, а.
Потенциал.
а
б
Рис. 3. Электрохимические исследования печатного электрода с разработанными проводящими композитными системами на основе тионина: а - циклическая вольтамперометрия при разных скоростях сканирования; б - циклическая вольтамперограмма на разных этапах модификации электрода
При полимеризации на электрод медиатора поли(тионина) на ЦВА появляются окислительно-восстановительные пики, соответствующие продукту полимеризации (рис. 3, б) [13]. Для электродов, модифицированных ТРГ и УНТ, наблюдается увеличение анодного пика по сравнению с электродом на основе растворенного тионина, что также говорит об улучшении проводимости системы в присутствии нано-материалов и облегчении переноса электронов на электрод. Выявление лимитирующей стадии позволило применить модель Николсона (уравнение (1)) [18] и модель Лавирона [19] (уравнение (2)) для нахождения гетерогенных констант скорости переноса электронов на электрод (табл. 1). Использование моделей Николсона и Лавирона при определении электрохимических свойств проводящих и редокс-активных полимеров можно найти в работах [20, 21] соответственно:
= ¥ЧлЯтв, (1)
1св(£5 ) = а 1св(1 - а) + (1 - а)1ав а - ) _а(1 АЕ, (2)
пру 2,3ЯТ
где кц - гетерогенная константа скорости электрохимической системы, с-1-см; у - параметр, влияющий на разность потенциалов пиков АЕ, мВ; п - число участвующих электронов; Р - число Фарадея, Кл/моль; V - скорость развертки потенциала, В/с; Я - универсальная газовая постоянная, Дж-моль/К; Т - температура, К; Б - коэффициент диффузии, см2/с; п - константа 3,14; а - коэффициент переноса катодного процесса; (1 - а) - коэффициент переноса анодного процесса; АЕ - разность потенциалов анодного и катодного пиков, В.
Кроме того, для практического использования проводящих нано-композитных систем важно изучить не только электрохимические аспекты переноса электронов на электрод, но и особенности взаимодействия проводящих полимеров с используемым ферментом. Для исследования возможности применения созданных нанокомпозитов для иммобилизации ГО были найдены константы взаимодействия фермента с проводящими полимерами с использованием моделирования Николсона-Шайна [22], которое широко используется для анализа константы скорости взаимодействия медиаторов, в том числе в составе проводящих полимеров, с различными ферментами [4, 23]. В данной модели рассматривается изменение предельного анодного тока до и после введения в систему окисляемого субстрата. При избытке концентрации субстрата скорость биохимической стадии взаимодействия медиатора с биоматериалом имеет псевдо-первый порядок, а константа взаимодействия связана с изменением предельного анодного тока уравнением Николсона и Шайна:
4 = кюаим [Е] ЯТ , (3)
где 1к - предельный ток в присутствии субстрата, А; ¡а - предельный ток в отсутствие субстрата, А; квзаим - константа скорости взаимодействия медиатора и биоматериала, дм /(мг-с); Я - универсальная газовая постоянная, Дж/(моль-К); Т - температура, К; [Е] - титр фермента, мг/л; V - скорость развертки, В/с; п - количество перенесенных электронов; Р - постоянная Фарадея, Кл/моль. Значения рассчитанных констант представлены в табл. 1.
Таблица 1
Гетерогенные константы скорости переноса электронов и константы скорости взаимодействия с глюкозооксидазой для разработанных проводящих полимеров и их композитов
Проводящая система Гетерогенная константа скорости, (с-1-см) Константа скорости взаимодействия матрицы с глюкозооксидазой, см3/(моль-с)
пТН 0,90±0,02 5,9±0,3
пТН - ТРГ 1,61±0,08 6,2±0,3
пТН - УНТ 0,14±0,01 6,1±0,3
Таким образом, наибольшей гетерогенной константой скорости переноса электронов является нанокомпозитная матрица на основе терморасширенного графита сопряженного с пТН. пТН является достаточно эффективным переносчиком электронов [24], а ТРГ существенно увеличивает площадь контакта проводящего полимера с электродом. Кроме того, поскольку технология получения ТРГ включает в себя стадию обработки графита со смесью концентрированных азотной и серной кислот, на его поверхности могут содержаться карбоксильные группы [25], которые могут образовывать водородные связи с аминогруппами пТН, способствуя более плотному контакту и лучшему переносу электронов в нанокомпозите.
С точки зрения взаимодействия полученных нанокомпозитных матриц с ГО можно отметить, что внедрение наноматериала практически не изменяет константу взаимодействия нанокомпозита с ГО, что подтверждает предложенную модель переноса электронов, основанную на взаимодействии активного центра ГО с проводящей матрицей. Исходя из значений полученных констант взаимодействия проводящего полимера с биоматериалом можно увидеть, что наиболее высокую константу скорости имеет система на основе пТН - ТРГ.
Метрологические и аналитические характеристики биосенсора. Биосенсоры на основе ферментов являются биорецепторами каталитического типа, т.е. биологический ответ в таких системах обеспечивается ферментативными реакциями. Для получения аналитических и метрологических характеристик строились градуировочные зависимости ответов биосенсора от концентрации глюкозы при постоянном приложенном потенциале. Типичный вид зависимостей для композитов на основе пНК представлен на рис. 4.
Зависимости ответа сенсоров от концентрации глюкозы имеют гипербоидальный вид и были аппроксимированы с помощью уравнения Михаэлиса - Ментен:
V _ ^тах [5] (4)
Км + [ $ ]' ^
где Vmax - максимальная скорость ферментативной реакции, при которой все молекулы фермента участвуют в образовании фермент-субстратного комплекса, достигается при Км - эффективная
константа Михаэлиса, численно равная концентрации субстрата, при которой скорость ферментативной реакции достигает половины максимального значения (V = Ктах/2); V - скорость реакции; [5] - концентрация субстрата, моль/дм3.
Рис. 4. Градуировочные зависимости биосенсоров на основе пНК и его композитов
Из уравнения Михаэлиса - Ментен (4) следует, что при низких концентрациях субстрата аналитический сигнал пропорционален концентрации глюкозы, что позволяет выделить линейный участок гра-дуировочной кривой, ограниченный сверху значением Км. Результаты по определению линейного участка градуировочной зависимости представлены в табл. 2.
Полученный в ходе работы электрод, модифицированный композитом на основе пТН и ТРГ, не уступает аналогам. Этот электрод превосходит их по значению коэффициента чувствительности, пределу обнаружения, нижней границе определяемых концентраций, что показывает пер-
спективность предложенного в работе подхода к созданию композитов на основе проводящих полимеров и углеродных наноматериалов.
Таблица 2
Основные характеристики биосенсоров на основе разработанных модифицированных печатных электродов и аналогов
Проводящая матрица Диапазон определяемых концентраций, мМ Коэффициент чувствительности, мкА-мМ-1-см-2 Предел обнаружения Cmin, мМ Время единичного измерения, мин
Политионин 0,25-1,9 5,26±0,09 0,08 1
Политионин / терморасширенный графит 0,06-0,62 14,3±0,6 0,02 1
Политионин / углеродные нанотрубки 0,2-1,7 3,98±0,06 0,07 1
Полипиррол / Поли-толуидиновый синий [26] 1-9 3,23 0,09 -
Политиофен / оксид графена [27] 0,2-10,0 9,4 0,04 0,25
Политиофен [28] 0,09-5,20 - 0,03 2
Полипиррол / Поли-пиррол-С1 [29] 0,5-24 3,5 0,03 -
Заключение. В работе был синтезирован композитный материал поли(тионина) включающего углеродные наноматериалы. Полученные графики циклической вольтамперной зависимости при полимеризации медиатора тионина подтвердили присутствие данных фрагментов в составе продукта. В соответствии с наилучшими кинетическими константами и метрологическими характеристиками биосенсор с матрицей на основе нанокомпозита поли(тионина) и терморасширенного графита выявлен как наиболее перспективный и подходящий для дальнейшего использования в составе безреагентных медиаторных биосенсоров. Данный биосенсор превосходит другие полученные в данной работе и литературных аналогах биосенсоры и в таких параметрах, как нижняя граница определяемых концентраций (Сн = 0,06 мМ), предел обнаружения (Cmin = = 0,02 мМ) и коэффициент чувствительности (14,331±0,6 мкА-мМ-1-см-2).
Список литературы
1. Idumah C.I. Novel trends in conductive polymeric nanocomposites, and bionanocomposites // Synth. Met. - 2021. - Vol. 273, no. September. - P. 116674.
2. Rehman A., Zeng X. Interfacial composition, structure, and properties of ionic liquids and conductive polymers for the construction of chemical sensors and
biosensors: a perspective // Curr. Opin. Electrochem. - 2020. - Vol. 23, no. April. -P. 47-56.
3. Ramanavicius S., Ramanavicius A. Conducting Polymers in the Design of Biosensors and Biofuel Cells // Polymers. - 2020. - Vol. 13, no. 1. - P. 49.
4. Use of biocompatible redox-active polymers based on carbon nanotubes and modified organic matrices for development of a highly sensitive BOD biosensor / V.A. Arlyapov [et al.] // Enzyme Microb. Technol. - 2021. - Vol. 143. -P. 109706.
5. Achievement and assessment of direct electron transfer of glucose oxidase in electrochemical biosensing using carbon nanotubes, graphene, and their nanocomposites / J.H.T. Luong, J.D. Glennon, A. Gedanken, S.K. Vashist // Microchim. Acta. - 2017. - Vol. 184, no. 2. - P. 369-388.
6. Study of electron transport in the functionalized nanotubes and their impact on the electron transfer in the active site of horseradish peroxidase / M. Feizabadi, D. Ajloo, A. Soleymanpour, H. Faridnouri // J. Phys. Chem. Solids. -
2018. - Vol. 116. - P. 313-323.
7. Ghica M.E., Brett C.M.A. Poly (brilliant green) and poly(thionine) modified carbon nanotube coated carbon film electrodes for glucose and uric acid biosensors // Talanta. - 2014. - Vol. 130. - P. 198-206.
8. Au doped poly-thionine and poly-m-Cresol purple: Synthesis and their application in simultaneously electrochemical detection of two lung cancer markers CEA and CYFRA21-1 / H. Yang [et al.] // Talanta. - 2021. - Vol. 224. - P. 121816.
9. Li X., Kan X. A boronic acid carbon nanodots/poly(thionine) sensing platform for the accurate and reliable detection of NADH // Bioelectrochemistry. -
2019. - Vol. 130. - P. 107344.
10. Electrochemical synthesis and characterization of poly(thionine)-deep eutectic solvent/carbon nanotube-modified electrodes and application to electrochemical sensing / B. Dalkiran, I.P.G. Fernandes, M. David, C.M.A. Brett // Microchim. Acta. - 2020. - Vol. 187, no. 11. - P. 609.
11. Dalkiran B., Brett C.M.A. A novel nanostructured poly(thionine)-deep eutectic solvent/CuO nanoparticle film-modified disposable pencil graphite electrode for determination of acetaminophen in the presence of ascorbic acid // Anal. Bioanal. Chem. - 2021. - Vol. 413, no. 4. - P. 1149-1157.
12. Spectroelectrochemical and electrochromic behavior of poly(methylene blue) and poly(thionine)-modified multi-walled carbon nanotubes / A. Ghoorchian, T. Madrakian, A. Afkhami, H. Bagheri // J. Solid State Electrochem. - 2021. -Vol. 25, no. 4. - P. 1217-1229.
13. Gorshenev V.N., Bibikov S.B., Novikov Y.N. Conducting materials based on thermally expanded graphite // Russ. J. Appl. Chem. - 2003. - Vol. 76, no. 4. - P. 603-606.
14. Recent advances in carbon nanotubes-based biocatalysts and their applications / A. Kumari, R. Rajeev, L. Benny, Y. N. Sudhakar, A. Varghese, G. Hegde // Adv. Colloid Interface Sci. - 2021. - Vol. 297. - P. 102542.
15. An electroactive biofilm-based biosensor for water safety: Pollutants detection and early-warning / X. Qi [et al.] // Biosens. Bioelectron. - 2021. -Vol. 173, no. November 2020. - P. 112822.
16. Thermal conductivity of polymer composites with the geometrical characteristics of graphene nanoplatelets / H.S. Kim, H.S. Bae, J.Yu, S.Y. Kim // Sci. Rep. - 2016. - Vol. 6, no. 1. - P. 1-9.
17. Mahbubur Rahman M., Lee J.-J. Sensitivity control of dopamine detection by conducting poly(thionine) // Electrochem. commun. - 2021. -Vol. 125. - P. 107005.
18. Nicholson R.S. Theory and application of cyclic voltammetry for measurement of electrode reaction kinetics // Anal. Chem. - 1965. - Vol. 37, no. 11. - P. 1351-1355.
19. Laviron E. General expression of the linear potential sweep voltammogram in the case of diffusionless electrochemical systems // Journal of Electroanalytical Chemistry and Interfacial Electrochemistry. - 1979. - Vol. 101, № 1. - P. 19-28.
20. Coutinho I., FortunatoE. A Simple Procedure to Fabricate Paper Biosensor and Its Applicability - NADH/NAD+ Redox System // J. Pharm. Pharmacol. - 2018. - № 6. - P. 175-187.
21. de Fátima Giarola J., Mano V., Pereira A.C. Development and application of a voltammetric biosensor based on Polypyrrole/uricase/graphene for uric acid determination // Electroanalysis. - 2018. - Vol. 30, no. 1. - P. 119-127.
22. Nicholson R.S., Shain I. Theory of stationary electrode polarography. Single scan and cyclic methods applied to reversible, irreversible, and kinetic systems // Anal. Chem. - 1964. - Vol. 36, no. 4. - P. 706-723.
23. The role of the n acceptor character of polypyridine ligands on the electrochemical response of Co (II) complexes and its effect on the homogenous electron transfer rate constant with the enzyme glucose oxidase / V. Ramírez-Delgado [et al.] // J. Mex. Chem. Soc. - 2015. - Vol. 59, no. 4. - P. 282-293.
24. A mediator microbial biosensor for assaying general toxicity / A.S. Khar-kova, V.A. Arlyapov, A.D. Turovskaya, V.I. Shvets, A.N. Reshetilov // Enzyme Microb. Technol. - 2020. - Vol. 132. - P. 109435.
25. Thermally expanded graphite: Synthesis, properties, and prospects for use / A.V. Yakovlev, A.I. Finaenov, S.L. Zabud'Kov, E.V Yakovleva // Russ. J. Appl. Chem. - 2006. - Vol. 79, no. 11. - P. 1741-1751.
26. A facile method for generating polypyrrole microcapsules and their application in electrochemical sensing / P. Pinyou, V. Blay, J. Monkrathok, P. Janphuang, K. Chansaenpak, J. Pansalee, S. Lisnund // Microchim. Acta. - 2022. -Vol. 189. - P. 410.
27. Poly (Thiophene)/Graphene Oxide-Modified Electrodes for Ampero-metric Glucose Biosensing / M.I. Pilo, S. Baluta, A.C. Loria, G. Sanna, N. Spano // Nanomaterials. - 2022. - Vol. 12. - P. 2840.
28. Design of amperometric biosensors for the detection of glucose prepared by immobilization of glucose oxidase on conducting (poly) thiophene films / M. Pilo, R. Farre, J.I. Lachowicz, E. Masolo, A. Panzanelli, G. Sanna, N. Senes, A. Sobral, N. Spano // J. Anal. Methods Chem. - 2018. - Vol. 2018. - P. 7.
29. Ayenimo J.G., Adeloju S.B. Amperometric detection of glucose in fruit juices with polypyrrole-based biosensor with an integrated permselective layer for exclusion of interferences // Food chemistry. - 2017. - Vol. 229. - P. 127-135.
References
1. C. I. Idumah, "Novel trends in conductive polymeric nanocomposites, and bionanocomposites," Synth. Met., vol. 273, no. September 2020, p. 116674, 2021.
2. A. Rehman and X. Zeng, "Interfacial composition, structure, and properties of ionic liquids and conductive polymers for the construction of chemical sensors and biosensors: a perspective," Curr. Opin. Electrochem., vol. 23, no. April, pp. 47-56, 2020.
3. S. Ramanavicius and A. Ramanavicius, "Conducting Polymers in the Design of Biosensors and Biofuel Cells," Polymers , 2020. vol. 13, no. 1. p. 49.
4. V. A. Arlyapov et al., "Use of biocompatible redox-active polymers based on carbon nanotubes and modified organic matrices for development of a highly sensitive BOD biosensor," EnzymeMicrob. Technol., vol. 143, p. 109706, 2021.
5. J. H. T. Luong, J. D. Glennon, A. Gedanken, and S. K. Vashist, "Achievement and assessment of direct electron transfer of glucose oxidase in electrochemical biosensing using carbon nanotubes, graphene, and their nanocomposites,"Microchim. Acta, vol. 184, no. 2, pp. 369-388, 2017.
6. M. Feizabadi, D. Ajloo, A. Soleymanpour, and H. Faridnouri, "Study of electron transport in the functionalized nanotubes and their impact on the electron transfer in the active site of horseradish peroxidase," J. Phys. Chem. Solids, vol. 116, pp.313-323, 2018.
7. M. E. Ghica and C. M. A. Brett, "Poly(brilliant green) and poly(thionine) modified carbon nanotube coated carbon film electrodes for glucose and uric acid biosensors," Talanta, vol. 130, pp. 198-206, 2014.
8. H. Yang et al., "Au doped poly-thionine and poly-m-Cresol purple: Synthesis and their application in simultaneously electrochemical detection of two lung cancer markers CEA and CYFRA21-1," Talanta, vol. 224, p. 121816, 2021.
9. X. Li and X. Kan, "A boronic acid carbon nanodots/poly(thionine) sensing platform for the accurate and reliable detection of NADH," Bioelectrochemistry, vol. 130, p. 107344, 2019.
10. B. Dalkiran, I. P. G. Fernandes, M. David, and C. M. A. Brett, "Electrochemical synthesis and characterization of poly(thionine)-deep eutectic solvent/carbon nanotube-modified electrodes and application to electrochemical sensing," Microchim. Acta, vol. 187, no. 11, p. 609, 2020.
11. B. Dalkiran and C. M. A. Brett, "A novel nanostructured poly(thionine)-deep eutectic solvent/CuO nanoparticle film-modified disposable pencil graphite electrode for determination of acetaminophen in the presence of ascorbic acid," Anal. Bioanal. Chem., vol. 413, no. 4, pp. 1149-1157, 2021.
12. A. Ghoorchian, T. Madrakian, A. Afkhami, and H. Bagheri, "Spectroelectrochemical and electrochromic behavior of poly(methylene blue) and poly(thionine)-modified multi-walled carbon nanotubes," J. Solid State Electrochem., vol. 25, no. 4, pp. 1217-1229, 2021.
13. V. N. Gorshenev, S. B. Bibikov, and Y. N. Novikov, "Conducting materials based on thermally expanded graphite," Russ. J. Appl. Chem., vol. 76, no. 4, pp. 603-606, 2003.
14. A. Kumari, R. Rajeev, L. Benny, Y. N. Sudhakar, A. Varghese, and G. Hegde, "Recent advances in carbon nanotubes-based biocatalysts and their applications," Adv. Colloid Interface Sci., vol. 297, pp. 102542, 2021.
15. X. Qi et al., "An electroactive biofilm-based biosensor for water safety: Pollutants detection and early-warning," Biosens. Bioelectron., vol. 173, no. November 2020, p. 112822, 2021.
16. H. S. Kim, H. S. Bae, J. Yu, and S. Y. Kim, "Thermal conductivity of polymer composites with the geometrical characteristics of graphene nanoplatelets," Sci. Rep., vol. 6, no. 1, pp. 1-9, 2016.
17. M. Mahbubur Rahman and J.-J. Lee, "Sensitivity control of dopamine detection by conducting poly(thionine)," Electrochem. commun., vol. 125, p.107005, 2021.
18. R. S. Nicholson, "Theory and application of cyclic voltammetry for measurement of electrode reaction kinetics.," Anal. Chem., vol. 37, no. 11, pp.1351-1355, 1965.
19. Laviron E. General expression of the linear potential sweep voltam-mogram in the case of diffusionless electrochemical systems // Journal of Electro-analytical Chemistry and Interfacial Electrochemistry. - 1979. - T. 101. - № 1. -C. 19-28.
20. I. Coutinho and E. Fortunato, "A Simple Procedure to Fabricate Paper Biosensor and Its Applicability—NADH/NAD+ Redox System," J. Pharm. Pharmacol., 2018, no. 6, pp. 175-187.
21. J. de Fátima Giarola, V. Mano, and A. C. Pereira, "Development and application of a voltammetric biosensor based on Polypyrrole/uricase/graphene for uric acid determination," Electroanalysis, vol. 30, no. 1, pp. 119-127, 2018.
22. R. S. Nicholson and I. Shain, "Theory of stationary electrode polarography. Single scan and cyclic methods applied to reversible, irreversible, and kinetic systems.," Anal. Chem., vol. 36, no. 4, pp. 706-723, 1964.
23. V. Ramírez-Delgado et al., "The role of the n acceptor character of polypyridine ligands on the electrochemical response of Co (II) complexes and its effect on the homogenous electron transfer rate constant with the enzyme glucose oxidase," J. Mex. Chem. Soc., vol. 59, no. 4, pp. 282-293, 2015.
24. A. S. Kharkova, V. A. Arlyapov, A. D. Turovskaya, V. I. Shvets, and A. N. Reshetilov, "A mediator microbial biosensor for assaying general toxicity," Enzyme Microb. Technol, vol. 132, p. 109435, 2020.
25. A. V Yakovlev, A. I. Finaenov, S. L. Zabud'Kov, and E. V Yakovleva, "Thermally expanded graphite: Synthesis, properties, and prospects for use," Russ. J. Appl. Chem., vol. 79, no. 11, pp. 1741-1751, 2006.
26. Pinyou, P.; Blay, V.; Monkrathok, J.; Janphuang, P.; Chansaenpak, K.; Pansalee, J.; Lisnund, S. A facile method for generating polypyrrole microcapsules and their application in electrochemical sensing. Microchim. Acta 2022, 189, 410.
27. Pilo, M.I.; Baluta, S.; Loria, A.C.; Sanna, G.; Spano, N. Poly (Thiophene)/Graphene Oxide-Modified Electrodes for Amperometric Glucose Biosensing. Nanomaterials 2022, vol. 12, p. 2840.
28. Pilo, M.; Farre, R.; Lachowicz, J.I.; Masolo, E.; Panzanelli, A.; Sanna, G.; Senes, N.; Sobral, A.; Spano, N. Design of amperometric biosensors for the detection of glucose prepared by immobilization of glucose oxidase on conducting (poly) thiophene films. J. Anal. Methods Chem. 2018. vol. 2018, p. 7.
29. Ayenimo J. G., Adeloju S. B. Amperometric detection of glucose in fruit juices with polypyrrole-based biosensor with an integrated permselective layer for exclusion of interferences. Food chemistry. 2017. vol. 229. pp. 127-135.
Об авторах
Кузнецова Любовь Сергеевна (Тула, Россия) - аспирант кафедры «Химия» Тульского государственного университета (300012, г. Тула, пр. Ленина, 92; e-mail: lslatunina@gmail.com).
Иванова Кристина Данииловна (Тула, Россия) - магистрант кафедры «Химия» Тульского государственного университета (300012, г. Тула, пр. Ленина, 92; e-mail: krictina578@gmail.com).
Арляпов Вячеслав Алексеевич (Тула, Россия) - доктор технических наук, доцент кафедры «Химия» Тульского государственного университета (300012, г. Тула, пр. Ленина, 92; e-mail: v.a.arlyapov@gmail.com).
About the authors
Lyubov S. Kuznetsova (Tula, Russian Federation) - Postgraduate Student of the Department of Chemistry of Tula State University (92, Lenin av., Tula, 300012; e-mail: lslatunina@gmail.com).
Kristina D. Ivanova (Tula, Russian Federation) - Master's Student of the Department of Chemistry of Tula State University (92, Lenin av., Tula, 300012; e-mail: krictina578@gmail.com).
Vyacheslav A. Arlyapov (Tula, Russian Federation) - Doctor of Technical Sciences, Associate Professor of the Department of Chemistry of Tula State University (92, Lenin av., Tula, 300012; e-mail: v.a.arlyapov@gmail.com).
Поступила: 26.09.2023
Одобрена: 19.10.2023
Принята к публикации: 15.11.2023
Финансирование. Исследование выполнено при финансовой поддержке гранта ректора ТулГУ для обучающихся по образовательным программам высшего образования - программам магистратуры № 8942ГРР_М.
Конфликт интересов. Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.
Вклад авторов равноценен.
Просьба ссылаться на эту статью в русскоязычных источниках следующим образом:
Кузнецова, Л.С. Нанокомпозитные материалы на основе поли(тионина) для иммобилизации глюкозооксидазы в биосенсорах / Л.С. Кузнецова, К. Д. Иванова, В.А. Арляпов // Вестник ПНИПУ. Химическая технология и биотехнология. - 2023. - № 4. - С. 34-50.
Please cite this article in English as:
Kuznetsova L.S., Ivanova K.D., Arlyapov V.A. Nanocomposite materials based on poly(thionine) for immobilization of glucose oxidase in biosensors. Bulletin of PNRPU. Chemical Technology and Biotechnology, 2023, no. 4, pp. 34-50 (In Russ).
